摘要土壤線蟲(chóng)群落特征是評(píng)價(jià)和指示土壤生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要依據(jù)。本研究選取不同連作年限(5、10、15、20和25年棉田作為樣地，采用高通量測(cè)序技術(shù)探究土壤性狀和線蟲(chóng)群落對(duì)棉田長(zhǎng)期連作的響應(yīng)。結(jié)果表明：連作10~15年后土壤pH、電導(dǎo)率(EC)顯著升高，有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN、有效磷(AP)、有效鉀(AK)、硝態(tài)氮(NON)含量和土壤微生物碳(MBC)顯著降低;連作棉田共鑒定出土壤線蟲(chóng)綱目18科25屬，其中螺旋屬在不同連作年限棉田土壤中均為優(yōu)勢(shì)屬，土壤植物寄生類線蟲(chóng)在不同連作年限中均為優(yōu)勢(shì)營(yíng)養(yǎng)類群，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，連作25年較其他連作年限植物寄生類線蟲(chóng)增加了9.1%~208.6%，其中螺旋屬線蟲(chóng)增加了392.0%。隨著連作年限增加，矮化屬、莖屬、Discopersicus、中環(huán)屬和中輪屬等植物寄生類線蟲(chóng)被檢出;連作15年土壤線蟲(chóng)豐富度指數(shù)(ACE)和自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)(MI)顯著降低，植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)(PPI/MI)顯著升高，多樣性指數(shù)(Shannon)和瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)(WI)最低;AP和MBC是影響土壤線蟲(chóng)群落變化的主要環(huán)境因子。研究表明，棉花連作10~15年會(huì)發(fā)生土壤養(yǎng)分失衡，土壤線蟲(chóng)多樣性降低，土壤食物網(wǎng)穩(wěn)定性變差，棉花致病類植物寄生線蟲(chóng)增加，產(chǎn)生連作障礙。

　　關(guān)鍵詞棉花;連作;土壤線蟲(chóng);營(yíng)養(yǎng)類群

　　棉花是我國(guó)除糧食之外最大宗的農(nóng)產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)計(jì)民生中扮演著重要角色。新疆是我國(guó)唯一的長(zhǎng)絨棉種植基地，其種植面積和總產(chǎn)量分別占全國(guó)的和7%，單產(chǎn)穩(wěn)居全國(guó)第一[1]。然而，受地貌特點(diǎn)、氣候條件、耕作習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)效益等因素影響，新疆棉花種植結(jié)構(gòu)單一，連作現(xiàn)象嚴(yán)重。棉田長(zhǎng)期連作帶來(lái)較高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也給土壤質(zhì)量和微環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重危害。

　　已有研究表明，棉花連作年限增加會(huì)導(dǎo)致土壤容重下降，總鹽含量增加，土壤速效養(yǎng)分釋放受限，養(yǎng)分失調(diào)，酶活性和根際土壤微生物多樣性顯著降低，對(duì)土壤生物性狀產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，使得棉花品質(zhì)和產(chǎn)量降低。土壤線蟲(chóng)群落由不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成，可以通過(guò)改變土壤食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和分解細(xì)菌真菌途徑影響土壤生態(tài)功能。在土壤物質(zhì)循環(huán)和肥力保持等生態(tài)功能方面具有關(guān)鍵作用。Wilson等[1研究表明，線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)能夠有效反映土壤養(yǎng)分狀況和環(huán)境質(zhì)量，比土壤理化性狀對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)變化更敏感[1。

　　許多學(xué)者已經(jīng)就不同連作年限對(duì)大豆Glycinemax[1、西甜瓜CitrulluslanatusCucumismelo和黃瓜Cucumissativus土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。目前對(duì)棉花的研究主要集中在黃枯萎病方面，還進(jìn)等[1和Knox等17研究表明，植物寄生線蟲(chóng)會(huì)加重棉花枯黃萎病的發(fā)生，危害程度較大的主要是螺旋屬Helicotylenchus和根結(jié)線蟲(chóng)屬M(fèi)eloidogyne。然而，針對(duì)長(zhǎng)期連作棉田土壤線蟲(chóng)群落變化尚缺乏系統(tǒng)性研究。本研究利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)新疆長(zhǎng)期連作棉田土壤線蟲(chóng)群落進(jìn)行研究，闡明長(zhǎng)期連作對(duì)土壤理化特性和線蟲(chóng)群落組成、結(jié)構(gòu)的影響，探究二者之間的關(guān)系，以揭示棉花連作障礙的主要限制因子，從土壤生物學(xué)角度分析長(zhǎng)期連作對(duì)土壤生態(tài)過(guò)程的影響，為植棉區(qū)土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

　　1研究區(qū)域與研究方法

　　1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于新疆瑪納斯河流域十戶灘鎮(zhèn)44°37′N，86°8′E，屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫為6.6℃，無(wú)霜期148187d，活動(dòng)積溫≥0℃：40234118℃;≥10℃：35703729℃。年降水少110200mm、蒸發(fā)大5002000mm。土壤類型和土壤質(zhì)地分別為灰漠土和砂質(zhì)土。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)本研究選擇對(duì)棄耕30年的鹽堿地進(jìn)行定期逐漸復(fù)墾種植棉花的棉田作為樣地，共設(shè)置個(gè)處理：連作年;10hm;連作10年10;10hm;連作15年15;30hm;連作20年20;20hm;連作25年25;30hm。通過(guò)統(tǒng)一管理消除各處理因管理措施不同所引起的差異，各樣地實(shí)際情況見(jiàn)表。棉花采收后將棉稈進(jìn)行全量還田，每個(gè)連作棉田的1/3面積設(shè)為一個(gè)重復(fù)，每處理設(shè)置個(gè)重復(fù)，各重復(fù)之間的距離為25m。

　　1.3土壤樣品采集在棉花盛花期進(jìn)行土壤樣品采集2020年月15日。從每個(gè)連作處理的棉田中各收集個(gè)重復(fù)土壤樣品，每個(gè)土壤樣品之間的距離為25m。采用“”形在每個(gè)重復(fù)地塊收集20個(gè)完整土樣并進(jìn)行混合后作為個(gè)土壤樣品，取樣點(diǎn)距棉花根部3cm，取樣深度為20cm。總共收集15個(gè)土壤樣品(5連作年限×重復(fù)。將土壤樣品裝入無(wú)菌塑料袋中，放入冰盒并迅速轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室。過(guò)2mm篩，去除大型土壤動(dòng)物、石子以及植物殘?bào)w并混合均勻，將每個(gè)土壤樣品分為兩份，一份儲(chǔ)存在80℃冰箱中以進(jìn)行線蟲(chóng)分析，另一份風(fēng)干后進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析。

　　1.4土壤理化性質(zhì)測(cè)定土壤電導(dǎo)率EC，水：土：采用MP522電導(dǎo)率儀測(cè)定;pH值水：土2.5：采用MP522精密pH計(jì)測(cè)定;土壤含水量采用烘干法測(cè)定;土壤有機(jī)碳SOC采用重鉻酸鉀外熱法測(cè)定;土壤全氮TN采用半微量凱氏法測(cè)定;土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤速效鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定;硝態(tài)氮NO和銨態(tài)氮NH采用流動(dòng)分析儀測(cè)定;微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸萃取法進(jìn)行測(cè)定[1。

　　1.5DNA提取、PCR擴(kuò)增和IlluminaMiSe測(cè)序采用土壤DNA提取試劑盒MOBIOUltraClean™對(duì)0.5g的土壤進(jìn)行總DNA提取，置于20℃保存。用1%瓊脂糖凝膠檢測(cè)DNA提取液、NanoDrop2000ThermoScientific,Wilmington,美國(guó)測(cè)定DNA濃度和純度。采用引物NF1和18Sr2b擴(kuò)增目的片段19。對(duì)目的片段進(jìn)行CR擴(kuò)增，對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行可視化和純化，并用QuantiFluor™STPromega,美國(guó)定量，將樣品混合，采用MiseqPE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序Illumina公司，上海美吉，每處理重復(fù)次。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同種植年限棉田土壤理化性質(zhì)

　　與連作年相比，土壤pH隨連作年限增加顯著升高，土壤EC顯著降低，連作15年土壤EC較連作10年顯著升高。隨著連作年限增加，土壤SOC、TN、AP、AK、NH和NO含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中SOC和NH在連作10年最高，而TN、AP、AK和NO在連作15年最高。連作至年時(shí)土壤MBC含量顯著下降。

　　2.2不同種植年限棉田土壤線蟲(chóng)群落組成

　　對(duì)各樣地土壤線蟲(chóng)進(jìn)行高通量測(cè)序，有效序列范圍在5001952，所有樣地共包括48個(gè)OTU，不同連作年限土壤有效序列和OTU數(shù)量差異較大。所有樣品中檢測(cè)到的線蟲(chóng)科有：紐帶科Hoplolaimidae、頭葉科Cephalobida、細(xì)齒科Leptonchidae、奎希婭科Qudsianematidae、滑刃科Aphelenchoididae和雙胃科Neodiplogasteridae。檢測(cè)到的線蟲(chóng)屬有：螺旋屬、盤(pán)咽屬Discolaimus、細(xì)齒屬Leptonchus、麗突屬Acrobeles和擬麗突屬Acrobeloides。其中，螺旋屬在不同連作年限中均為優(yōu)勢(shì)屬豐度>10%，隨著連作年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低，連作10年相對(duì)豐度最高，連作20年最低。盤(pán)咽屬只在連作10年和連作25年的土壤樣品中被檢測(cè)到，連作15年后土壤樣品中沒(méi)有檢測(cè)到細(xì)齒屬，連作年后土壤中盆咽屬Panagrolaimus豐度降低，樣品中沒(méi)有檢測(cè)到該線蟲(chóng)。連作過(guò)程中麗突屬變化趨勢(shì)與螺旋屬一致，麗突屬和擬麗突屬連作25年時(shí)均成為優(yōu)勢(shì)線蟲(chóng)屬豐度>10%。

　　3討論

　　3.1不同連作年限對(duì)棉田土壤理化性質(zhì)的影響

　　土壤質(zhì)量可以用來(lái)評(píng)價(jià)土地使用的可持續(xù)性。本研究表明，棉花長(zhǎng)期連作后土壤性狀變化較大。連作10年和15年土壤pH和EC分別較連作年和年顯著上升，這與Yang等[25]的研究結(jié)果相似，原因是新疆干旱區(qū)蒸發(fā)量大，導(dǎo)致鹽分在棉花耕層聚集，棉田受到次生鹽漬化威脅。連作10年后導(dǎo)致土壤SOC和NH隨種植年限增加顯著下降;連作15年后土壤、AP、AK和NO含量顯著下降，之后隨著連作年限增加TN含量處于平穩(wěn)狀態(tài)，連作時(shí)間越長(zhǎng)土壤NO虧缺越嚴(yán)重，隨連作年限增加作物對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行選擇性吸收導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡26。

　　3.2土壤線蟲(chóng)群落對(duì)連作年限的響應(yīng)

　　植物寄生線蟲(chóng)會(huì)誘導(dǎo)發(fā)生連作障礙。本研究表明，植物寄生類線蟲(chóng)在不同連作年限均為優(yōu)勢(shì)營(yíng)養(yǎng)類群，在連作年土壤中相對(duì)豐度較低，與土壤 變化趨勢(shì)相似，究其原因可能是土壤養(yǎng)分含量對(duì)棉花根系生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)抑制作用，從而引起植物寄生類線蟲(chóng)相對(duì)豐度的變化。連作年土壤線蟲(chóng)群落與其他連作年限存在較大差異，這與該時(shí)期養(yǎng)分狀況以及較高的BC含量有密切聯(lián)系。

　　植物寄生線蟲(chóng)作為植物病原之一破壞性極強(qiáng)29，研究表明，連作25年較其他連作年限土壤植物寄生類線蟲(chóng)增加了.108，主要?dú)w因于螺旋屬線蟲(chóng)相對(duì)豐度增加了392.0，以及莖屬、根結(jié)線蟲(chóng)屬等植物寄生類線蟲(chóng)被檢出，可能會(huì)抑制棉花生長(zhǎng)發(fā)育、誘導(dǎo)棉花病害的發(fā)生，引發(fā)連作障礙。連作25年麗突屬和擬麗突屬也成為了土壤優(yōu)勢(shì)線蟲(chóng)屬，主要是因?yàn)檫B續(xù)種植棉花導(dǎo)致土壤微生物菌群失衡，影響土壤線蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)類群結(jié)構(gòu)。

　　線蟲(chóng)生態(tài)指數(shù)可以多角度對(duì)土壤線蟲(chóng)群落以及食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，連作15年土壤線蟲(chóng)Chao1和ACE值最低，棉花連作15年和20年土壤線蟲(chóng)的Shannon指數(shù)相對(duì)較低，Simpson指數(shù)變化與之相反，表明連作15年土壤線蟲(chóng)群落多樣性有所降低。連作15年MI顯著降低，表現(xiàn)為值為的線蟲(chóng)數(shù)量減少，值為的線蟲(chóng)占優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明連作15年土壤富營(yíng)養(yǎng)化，土壤環(huán)境處于受脅迫狀態(tài)[31]。PPI/MI比和PI更能反映土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界干擾進(jìn)行恢復(fù)的程度。

　　與連作年相比，連作年土壤線蟲(chóng)PPIMI顯著降低，說(shuō)明連作15年對(duì)土壤環(huán)境的擾動(dòng)程度較大。連作15年棉田土壤WI最小，參與棉田土壤食物網(wǎng)礦化的線蟲(chóng)從食細(xì)菌和食真菌類轉(zhuǎn)變成了植物寄生類線蟲(chóng)，土壤健康狀況相對(duì)較差，這種變化可能與土壤理化性狀的惡化有關(guān)。從分解途徑上看，NCR>0.5時(shí)，食物網(wǎng)有機(jī)質(zhì)降解以細(xì)菌為主導(dǎo)，轉(zhuǎn)化效率較高，連作、15和25年棉田土壤食物網(wǎng)分解代謝過(guò)程較快NCR均大于0.5，有機(jī)質(zhì)分解以細(xì)菌分解為主。

　　3.3土壤理化性質(zhì)對(duì)線蟲(chóng)群落的影響

　　土壤理化性質(zhì)對(duì)線蟲(chóng)的多樣性和功能類群有不同程度影響。RDA分析結(jié)果表明，土壤MBC和AP是驅(qū)動(dòng)土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)變化的主要理化因子，這與華萃等的研究結(jié)果相似，土壤AP通過(guò)影響微生物活性從而影響線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)[3。雜食捕食類線蟲(chóng)與土壤NH呈顯著正相關(guān)，表明土壤養(yǎng)分的變化引起了更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)線蟲(chóng)群落的響應(yīng)。Dan等39研究指出，功能多樣性與物種多樣性對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)存在差異，MI、PPI/MI、WI和NCR分別與不同的土壤環(huán)境因子存在相關(guān)性，說(shuō)明土壤線蟲(chóng)的變化是多種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果。

　　農(nóng)作物土壤論文： 化肥減施間種綠肥對(duì)茶園土壤肥力及產(chǎn)量的影響

　　4結(jié)論

　　棉田連作1015年后土壤養(yǎng)分失衡，有發(fā)生次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)。棉花連作改變了土壤線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)類群，連作15年土壤線蟲(chóng)的多樣性和豐富度降低，土壤植物寄生線蟲(chóng)減少，食細(xì)菌和食真菌類線蟲(chóng)增加。隨著連作年限的延長(zhǎng)，螺旋屬線蟲(chóng)相對(duì)豐度增加，莖屬、根結(jié)線蟲(chóng)屬等棉花致病類線蟲(chóng)在土壤中被檢出。

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　　作者：陳虹楊磊張鳳華